FR-4 er det mest udbredte substratmateriale til printkort. Men hvilke egenskaber er det egentlig, der gør det til en så eftertragtet PCB-base?
Det er interessant, at mange mennesker, der er involveret i printkortproduktion, ikke har en klar forståelse af FR-4's egenskaber. Mange kender ikke dets fordele i forhold til andre printkort-substrater som FR-1, G-10, aluminiumoxid og PTFE.
Målet med dette indlæg er at kaste lys over FR-4's egenskaber og anvendelsesmuligheder som basismateriale til printkort. Forhåbentlig vil denne diskussion hjælpe dig med at træffe informerede beslutninger.
Hvad er FR-4?
FR-4, som både henviser til en standardvurdering og et navn, er en Glasforstærket epoxy-laminatmateriale. FR står for flammehæmmende, og 4 henviser til materialets klassificering. Det er et kompositmateriale, der består af et glasfiberlag, der er vævet ind i en stiv, flammehæmmende epoxyharpiks.
FR-4 bruges i vid udstrækning som substratmateriale, eller med andre ord som den primære isolerende rygrad i printkort. Lave omkostninger, høj dielektrisk styrke og modstandsdygtighed over for fugt er nogle bemærkelsesværdige fordele ved FR-4. Disse egenskaber gør FR-4 til det foretrukne substratmateriale til printkort. Et sofistikeret kredsløb kan være trykt på den ene eller begge sider af et FR-4-kort.
Faktorer, der skal overvejes, når man vælger tykkelsen på FR-4-printkort
En elektroingeniør, der arbejder på et PCB-projekt, som involverer brug af en laminatplade, skal angive tykkelsen på pladen. Afhængigt af indstillingen af printet kan tykkelsen måles i tommer, millimeter eller thou, som er en tusindedel af en tomme. Den varierer dog normalt fra 10 thou til 3 inches.
Elektroniske gadgets bliver mindre for hvert år, der går. Derfor er tykkelsen på et printkort i høj grad afgørende for en gadgets størrelse, design, præcision og æstetik. Her er nogle faktorer, du skal huske på, når du bestemmer tykkelsen på en laminatplade:
Rummet
Tyndere FR-4-plader er mere efterspurgte end tykkere. Og årsagen er indlysende: Gadgets som Bluetooth-tilbehør og USB-stik bliver mindre. Fordi de sparer plads, er mindre og tyndere FR-4-kort at foretrække, selv til større projekter.
Forbindelser
Et printkortdesign kan være ensidigt eller dobbeltsidigt. Et tosidet design kræver et kantstik, som forbinder de to sider. Et problem med konnektorens parringsdel kan beskadige printkortet. Det er en af grundene til, at materialet til et kredsløb ikke vælges, før kredsløbet er designet.
Fleksibilitet
Afhængigt af den specifikke anvendelse kan FR-4-pladernes fleksibilitet være en ønskelig egenskab eller ej. Tyndere plader har tendens til at være mere fleksible. Et produkt, der er beregnet til at blive bøjet eller belastet regelmæssigt, kræver et fleksibelt board. Enheder, der bruges i bilindustrien og den medicinske sektor, kræver ofte fleksible plader.
Men når det gælder PCB-fremstillingsprocessen, er fleksibilitet ofte en uønsket egenskab. Det skyldes til dels, at det gør monteringen mere kompliceret. En loddemaskine kan få et fleksibelt print til at bøje og blive delvist loddet. Denne bøjning kan beskadige de forbindelser og komponenter, der er placeret på kortet.
Design
Tykkelsen på et FR-4 board skal bestemmes af boardets designkrav. Tynde plader er ikke bedre til alle typer projekter. For eksempel kræver et design med riller en relativt tyk plade.
Impedanstilpasning
For en plade med flere lag er tykkelsen vigtig, fordi pladen i sig selv fungerer som en kondensator. Dielektrikummet, som til en vis grad bestemmer kapacitansen, bestemmes af pladens tykkelse.
Kompatibilitet mellem komponenter
Mange komponenter, f.eks. nogle komponenter med gennemgående huller, er kun kompatible med en bestemt tykkelse. Derfor er komponentkompatibilitet en vigtig faktor at tage i betragtning, når FR4-printkortets tykkelse skal bestemmes.
Vægt
Vægten af et printkort afhænger i høj grad af tykkelsen af FR-4-kortet. Producenter af lettere produkter foretrækker tynde plader.
Er FR-4 det rigtige materiale til dit printkortprojekt?
Til de fleste elektronikapplikationer er et FR4-substrat standardvalget. FR-4's popularitet skyldes materialets styrke, lave omkostninger og pålidelighed. Men det er ikke det bedste materiale til alle anvendelser. Højfrekvente laminater er at foretrække til højfrekvente designs.
Her er nogle nøglefaktorer, du skal huske på, når du vælger mellem FR4-materialet og et højfrekvenslaminat:
- Omkostninger: FR-4 er billigere end højfrekvente materialer. Derfor er FR-4 helt sikkert en bedre løsning end højfrekvenslaminat, hvis omkostningerne er et problem for en producent.
- Signaltab: På grund af en højere spredningsfaktor har FR-4 et højere signaltab, hvilket er et problem i højfrekvente situationer. Hvis FR-4 bruges i en sådan applikation, vil der være mere signaltab i kredsløbet. Mens FR-4 har en Df på omkring 0,020, har et typisk højfrekvenslaminat en Df på omkring 0,004.
- Impedansstabilitet: Ved højfrekvente designs og større kredsløb afhænger ydeevnen af impedansstabiliteten. Højfrekvente laminater er at foretrække for at opretholde stabiliteten af den dielektriske konstant. Denne værdi bestemmer til gengæld impedansstabiliteten, for med FR-4 varierer Dk-værdien på tværs af området, når temperaturen ændrer sig i printet.
- Styring af temperatur: Temperaturændringer påvirker grundmaterialets dielektriske konstant. Omfanget afhænger af konstantens termiske koefficient. For hver grad Celsius temperaturændring har FR-4 en termisk koefficient på omkring 200 dele pr. million. Med højfrekvente laminater er dette tal omkring 40 dele pr. million. Selv om denne forskel ikke ser så stor ud, er det en vigtig faktor. Det gælder især for printplader, der skal bruges i relativt varme miljøer.
- Dielektrisk konstant: I nogle anvendelser kan printpladens dielektriske konstant være en afgørende faktor. I et højfrekvent kredsløb afhænger transmissionslinjernes størrelse i høj grad af den dielektriske konstant. Kredsløbets størrelse er proportional med transmissionslinjernes størrelse. Et materiale med en høj dielektrisk konstant er at foretrække til en mindre plade. Mens Dk-værdierne for højfrekvente materialer varierer fra 6,15 til 11, har FR-4 en Dk-værdi på ca. 4,5. Denne lave Dk-værdi kan i nogle tilfælde gøre FR-4 uegnet til en lille printplade.
- Driftsmiljø: Når du vælger et kredsløbs basismateriale, skal du overveje miljøet. Højfrekvente laminater giver et højere niveau af temperatur- og fugtbestandighed. Det er en af grundene til, at nogle high-end designere foretrækker højfrekvente laminater.
Afrunding
Overvej alle relevante faktorer, når du vælger basismaterialet til et printkort og bestemmer dets tykkelse. Selvom FR-4 har fordele i forhold til højfrekvenslaminater, er det ikke et godt substratmateriale til alle typer anvendelser.
I de fleste tilfælde vil du finde FR-4 ret praktisk, fordi det er billigt og fås i en lang række størrelser og tykkelser. Men det er vigtigt at veje fordele og ulemper op mod hinanden og vælge det rigtige printkortmateriale til dit projekt. Vi håber, at du nu er bedre forberedt til at træffe en beslutning.